有毒有機污染物質(zhì)的微生物降解

1、第五章 生物體內(nèi)污染物質(zhì)的 運動過程及毒性,第一節(jié) 物質(zhì)通過生物膜的方式 第二節(jié) 污染物質(zhì)在機體內(nèi)的轉(zhuǎn)運 第三節(jié) 污染物質(zhì)的生物富集、放大和積累 第四節(jié) 污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化 第五節(jié) 毒作用的生物機制,六、有毒有機污染物質(zhì)的微生物降解,烴類（烷烴、烯烴、苯、多環(huán)芳烴）、農(nóng)藥 1. 烴類的微生物降解途徑 (1) 正烷烴（CH4除外）的降解 有氧氧化降解途徑 烷烴末端氧化、或次末端氧化、或雙端氧化生成醇生成醛生成脂肪酸； 脂肪酸氧化三羧酸循環(huán) 最終降解成二氧化碳和水,2) 甲烷的降解途徑,能降解甲烷的是一群專一性微生物； 如好氧型的甲基孢囊菌、甲基單胞菌、甲基球菌、甲基桿菌等,3) 烯烴的微生物降解

2、途徑,烯烴飽和末端氧化與正烷烴相同的途徑不飽和脂肪酸； 烯烴不飽和末端雙鍵環(huán)氧化環(huán)氧化合物開環(huán)二醇飽和脂肪酸,七、氮及硫的微生物轉(zhuǎn)化,1氮的微生物轉(zhuǎn)化 氮在環(huán)境中的三種主要形態(tài) 空氣中的分子氮。 有機氮化合物（蛋白質(zhì)、核酸等） 無機氮化合物（銨鹽、硝酸鹽等,同化,綠色植物和微生物吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，組成機體中蛋白質(zhì)、核酸等含氮有機物質(zhì)的過程。 氨化 生物殘體中的有機氮化合物，經(jīng)微生物分解成氨態(tài)氮的過程則稱為氨化。 硝化(亞硝化) 氨在有氧條件下通過微生物作用，氧化成硝酸鹽(亞硝酸鹽)的過程稱為硝化。 反硝化 硝酸鹽在厭氧條件下，通過微生物作用而還原的過程。 固氮 通過微生物的作用把分子氮轉(zhuǎn)化為

3、氨的過程,1) 硝化過程,硝化的兩個階段 亞硝化 硝化 細(xì)菌分別從亞硝化和硝化過程中取得能量，均是以二氧化碳為碳源進(jìn)行生活的自養(yǎng)型細(xì)菌,2) 反硝化過程,反硝化的三種情形： 將硝酸鹽還原為亞硝酸：包括細(xì)菌、真菌和放線菌在內(nèi)的多種微生物。 硝酸鹽還原成氮氣：包括兼性厭氧假單胞菌屬、色桿菌屬等能,2) 反硝化過程,將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨：包括梭狀芽孢桿菌等 所形成的氨可成為菌體合成自身的氨基酸等含氮物質(zhì)的原料,2) 反硝化過程,微生物進(jìn)行反硝化的條件 厭氧環(huán)境(溶解氧3)； 有硝酸鹽作為氮源； pH中性至微堿性(pH 7.0-8.5)； 溫度20-35,3) 固氮,通過微生物的作用把分子氮轉(zhuǎn)化

4、為氨的過程稱為固氮。此時，氨不釋放到環(huán)境中，而是繼續(xù)在機體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，合成氨基酸，組成自身蛋白質(zhì)等。 固氮必須在固氮酶催化下進(jìn)行： 環(huán)境中進(jìn)行固氮作用的微生物 好氧根瘤菌(共生固氮微生物, 與豆科植物共生)。 厭氧梭狀芽孢桿菌 (自生固氮微生物，土壤中) 厭氧藍(lán)細(xì)菌（光合型固氮微生物, 水體中,2硫的微生物轉(zhuǎn)化,硫是生命所必需的元素。 硫在環(huán)境中有單質(zhì)硫、無機硫化合物和有機硫化合物三種存在形態(tài)。 三種硫形態(tài)可在微生物及其他生物作用下進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化,1) 含硫有機物的降解,環(huán)境中的含硫有機物質(zhì) 含硫的氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸），磺氨酸等。 含硫有機物的微生物降解產(chǎn)物 在好氧條件下是硫酸， 在厭氧

5、條件下是硫化氫。 半胱氨酸的微生物降解,2) 無機硫的硫化（sulfur oxidation,硫化: 硫化氫、單質(zhì)硫等在微生物（硫桿菌，硫磺菌）作用下進(jìn)行氧化，最后生成硫酸的過程。 硫桿菌廣泛分布于土壤、天然水及礦山排水中，它們絕大多數(shù)是好氧菌，有的能氧化硫化氫至硫，有的能氧化硫至硫酸： 硫磺菌：氧化H2S為單質(zhì)硫，再至硫酸,3) 無機硫的反硫化（Desulfurization,反硫化：硫酸鹽、亞硫酸鹽等在微生物作用下還原生成硫化氫的過程。 脫硫弧菌：生長在缺氧的水體和土壤淹水及污泥中，利用硫酸根作為氧化有機物質(zhì)的受氫體： 反硫化是海水中H2S的主要來源,八、重金屬元素的微生物轉(zhuǎn)化,1. 汞

6、1) 汞的存在形態(tài)與毒性 汞在環(huán)境中的存在形態(tài)：金屬汞、無機汞化合物、有機汞化合物。 汞的毒性：有機汞(甲基汞)金屬汞無機汞化合物 甲基汞脂溶性大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，毒性比無機汞大50100倍。 水俁病為甲基汞中毒,2) 汞的生物甲基化,汞的生物甲基化 在好氧或厭氧條件下，水體底質(zhì)中某些微生物使二價無機汞鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆投谆倪^程。 常見甲基化微生物 甲烷菌，螢光假單胞菌等 甲基化酶 甲基鈷氨蛋氨酸轉(zhuǎn)移酶 甲基化輔酶 甲基鈷氨素（甲基維生素B12,CH3B12,汞的甲基化途徑,甲基負(fù)離子遷移,N5-甲基四氫葉酸,N5-甲基四氫葉酸為甲基正離子供體,3) 汞的生物去甲基化,抗汞微生物能使甲基汞或

7、無機化合物變成金屬汞，稱為汞的生物去甲基化。 常見的抗汞微生物是假單胞菌屬,2砷,砷在環(huán)境中的重要存在形態(tài) 五價無機砷化合物As(V)、 三價無機砷化合物As()、 一甲基胂酸CH3AsO(OH)2及其鹽、 二甲基胂酸(CH3)2AsO(OH)及其鹽 三甲基胂氧化物(CH3)3AsO、 三甲基胂(CH3)3As、 砷膽堿(CH3)3As+CH2CH2OH、 砷甜菜堿CH3)3AsCH2COO-、 砷糖等,2) 砷的毒性,砷是一種毒性很強的元素 砷毒性的一般規(guī)律: As()As(V)甲基砷化合物， 砷化合物甲基數(shù)遞增毒性遞減。 砷的鼠毒實驗結(jié)果 As2O3 CH3AsO(OH)2 (CH3)2A

8、sO(OH) (高毒)(毒)(毒) (CH3)3AsO (CH3)3AsCH2COO-、 (無毒)(無毒) 例外：三甲基胂(CH3)3As有毒,3) 砷的微生物甲基化的基本途徑,甲基供體: 輔酶S腺苷甲硫氨酸 甲基遷移機理：甲基正離子(CH3+) 遷移,S-腺苷甲硫胺酸(SAM,為甲基正離子供體，可使無機 As等甲基化,九、污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化速率,微生物對污染物質(zhì)的反應(yīng)速率與體外的酶促反應(yīng)速率有密切關(guān)系。 由于微生物體內(nèi)含有許多種酶，其酶促反應(yīng)在不同程度上相互影響，而使微 生物反應(yīng)速率與體外酶促反應(yīng)速率又有相當(dāng)差別。 酶促反應(yīng)速率 微生物反應(yīng)速率,1酶促反應(yīng)的速率,1)米氏方程,其中， 米氏常

9、數(shù)Km=(k2十k3)k1 Km值越大，說明酶對底物的親和力越小,產(chǎn)物P的生成速率(酶促反應(yīng)的速率,米氏方程,酶促反應(yīng)速度底物濃度關(guān)系,當(dāng)SKm時，則V= Vmax ，呈現(xiàn)零級反應(yīng)特征,Km及max值的圖解 法,當(dāng)= max/2 時，Km=s,2)影響酶促反應(yīng)速率的因素,pH對酶促反應(yīng)速率的影響 溫度對酶促反應(yīng)速率的影響 抑制劑的影響,pH對酶促反應(yīng)速率的影響,酶促反應(yīng)的最適pH值一般在5-8,溫度對酶促反應(yīng)速率的影響,隨著溫度上升，酶反應(yīng)速率顯著增加，直至最高點，以后由于酶的熱致變性速率也隨之增大，而使酶反應(yīng)速率顯著減小。 各種酶的最適溫度常在3550區(qū)間,抑制劑的影響,抑制劑 就是能減小或

10、消除酶活性，而使酶的反應(yīng)速率變慢或停止的物質(zhì)。 不可逆抑制劑 以比較牢固的共價鍵同酶結(jié)合，不能用滲析、超濾等物理方法來恢復(fù)酶活性的抑制劑 不可逆抑制作用：不可逆抑制劑所起的作用。 可逆抑制劑 同酶的結(jié)合處于可逆平衡狀態(tài)，可用滲析法除去而恢復(fù) 酶活性的物質(zhì)。 可逆抑制作用：可逆抑制劑所起的作用。 抑制作用可分為競爭性抑制和非競爭性抑制,不可逆抑制劑使酶中毒的示例,競爭性抑制,底物S和抑制劑I，在酶的活性中心上競爭，分別形成ES及EI；ES可分解成產(chǎn)物P，而EI不能分解成產(chǎn)物P，酶反應(yīng)速率因此下降。 競爭性抑制可通過增加底物濃度來解除,EI的解離常數(shù)Ki=ki,2/ki,1,非競爭性抑制,底物S和

11、抑制劑I分別在酶的活性中心及其之外部位與酶結(jié)合，彼此無爭； ES和EI可分別再與抑制劑和底物結(jié)合成EIS； EIS不能分解為產(chǎn)物P，因此酶反應(yīng)速率降低。 大部分非競爭性抑制都是由一些金屬離子化合物與酶的活性中心之外的巰基進(jìn)行可逆結(jié)合而引起的。 非競爭性抑制不能通過加大底物濃度來解除,2.微生物反應(yīng)速率,實際環(huán)境中的微生物反應(yīng)速率方程 實際環(huán)境中的微生物反應(yīng)與單一酶促反應(yīng)的不同 有多種碳源(有機污染物)存在 微生物群落中有各種微生物共存 實際環(huán)境中的微生物反應(yīng)速率的經(jīng)驗公式 c 污染物質(zhì)濃度;k微生物反應(yīng)速率常數(shù)； n反應(yīng)級數(shù),好氧有機物的反應(yīng)速率,若反應(yīng)的速率可用一級反應(yīng)速率方程描述 L 耗氧

12、有機物質(zhì)在水中的濃度(BOD)； L0耗氧有機物質(zhì)在水中的起始濃度(BOD)； k 耗氧有機物質(zhì)的微生物反應(yīng)速率常數(shù),實際環(huán)境中的微生物反應(yīng)速率方程,若有機污染物質(zhì)的微生物轉(zhuǎn)化速率遵守二級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律（如生長代謝過程中污染物濃度很低時）： S水中污染物質(zhì)濃度； B水中微生物濃度； Kb二級反應(yīng)速率常數(shù),2)影響微生物反應(yīng)速率的因素,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征; 微生物本身的特性 微生物不同酶不同催化活性不同降解速率不同。 環(huán)境條件 溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧、共存物質(zhì)等,有機污染物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)與降解速率的關(guān)系,鏈長規(guī)律 脂肪酸、脂族碳?xì)浠衔锖屯榛降龋涸谝欢ǚ秶鷥?nèi)碳鏈越長，降解越快 有機聚合物：分子

13、量增大降解速率減小。 鏈分支規(guī)律 烷基苯磺酸鹽、烷基化合物(RnCH4-n)等：烷基支鏈越多，分支程度越大降解越慢。 取代規(guī)律,有機污染物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)與降解速率的關(guān)系,取代規(guī)律（以芳香族化合物為例） 取代基種類 羥基、羧基、氨基等取代基的存在會加快其降解； 硝基、磺酸基、氯基等取代基的存在使降解變慢； 取代基數(shù)量 降解速度：一氯苯二氯苯三氯苯； 取代基位置（以苯酚的一氯取代物為例） 降解速度：鄰、對位取代物間位取代物,第五節(jié) 污染物質(zhì)的毒性,一、毒物 是進(jìn)人生物機體后能使體液和組織發(fā)生生物化學(xué)的變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，并引起暫時性或持久性的病理損害，甚至危及生命的物質(zhì)。 毒物按作用于

14、機體的主要部位分類 神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、 呼吸系統(tǒng)、肝、腎、眼、皮膚； 毒物根據(jù)作用性質(zhì)分類 刺激性、腐蝕性、窒息性、致突變、 致癌、致畸、致敏,二、毒物的毒性,影響毒物毒性的因素 毒物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì) (如毒物的分子立體構(gòu)型、分子大小、官能團(tuán)、溶解度、電離度、脂溶性等)； 毒物所處的基體因素(如基體的組成、性質(zhì)等)； 機體暴露于毒物的狀況(如毒物劑量，濃度，機體暴露的持續(xù)時間、頻率、總時間、機體暴露的部位等)； 生物因素(如生物種屬差異、年齡、體重、性別、遺傳及免疫情況、營養(yǎng)及健康狀況等)； 生物所處的環(huán)境(如溫度、濕度、氣壓等,毒物的效應(yīng)與反應(yīng),毒物的效應(yīng) 毒理學(xué)把毒物劑量

15、(濃度)與引起個體生物學(xué)的變化，如腦電、心電、血象、免疫功能、酶活性等的變化稱為效應(yīng)； 毒物的反應(yīng) 把引起群體的變化 (如腫瘤或其他損害的發(fā)生率、死亡率等) 稱為反應(yīng),劑量反(效)應(yīng)關(guān)系,指毒物劑量(濃度)與反(效)應(yīng)變化之間的關(guān)系。 大多數(shù)的劑量反(效)應(yīng)關(guān)系曲線呈S形,毒作用的分類,急性毒作用 毒物大劑量一次或24小時內(nèi)多次接觸于機體后，在短時間內(nèi)對機體所引起的毒性作用。 一般用半數(shù)有效劑量或半數(shù)有效濃度來表示。 慢性毒作用 低劑量(濃度)毒物長期逐漸 進(jìn)入機體，累積到一定程度后而致毒為慢性毒作用。 以最低覺察反應(yīng)濃度或最大容許濃度來表示。 亞急(或亞慢)性毒作用 生物體在約1/10生命期

16、間少量反復(fù)接觸某種外來物質(zhì)所引起的損害作用,毒物的毒性參數(shù),用于急性毒作用的參數(shù) 半數(shù)有效劑量(ED50)：在一定觀察時間內(nèi)引起受試生物群體50%個體產(chǎn)生某一效應(yīng)(如魚類喪失平衡、蚤類停止活動等)的毒物劑量。 半數(shù)有效濃度(EC50) ：引起受試生物群體半數(shù)產(chǎn)生某一效應(yīng)的毒物濃度。 半數(shù)致死劑量(LD50)：引起受試生物群體死亡率為50%時的毒物劑量。 半數(shù)致死濃度(LC50)：引起受試生物群體死亡率為50%時的毒物濃度,表5-3 化學(xué)物質(zhì)的急性毒性分級（根據(jù)半致死劑量的不同,毒物的毒性參數(shù),用于慢性性毒作用的參數(shù) 1.最高允許劑量（濃度）：在慢性毒性實驗中，對受試生物無影響的最高濃度和有影響

17、的最低濃度之間的毒性濃度范圍。 2.閥劑量（濃度）：在慢性毒性實驗中，用各種指標(biāo)(如存活、生長和生殖等)衡量毒物對受試生物的毒性強度，能覺察到有反應(yīng)的最低濃度,三、毒物的聯(lián)合作用,兩種或兩種以上的毒物，同時作用于機體所產(chǎn)生的綜合毒性稱為毒物的聯(lián)合作用。 聯(lián)合作用的分類 1協(xié)同作用 2相加作用 3獨立作用 4拮抗作用,三、毒物的聯(lián)合作用,1協(xié)同作用 聯(lián)合作用的毒性，大于其中各個毒物成分單獨作用毒性的總和（如死亡率MM1+M2 ） 。 即其中某一毒物成分能促進(jìn)機體對其他毒物成分的吸收加強、降解受阻、排泄遲緩、蓄積增多或產(chǎn)生高毒代謝物等，使混和物毒性增加。 如CCl4與C2H5OH; O3與硫酸氣溶

18、膠 2相加作用 聯(lián)合作用的毒性，等于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和（如死亡率MM1+M2 ） 即其中各毒物成分之間均可按比例取代另一毒物成分，而混合物毒性均無改變,三、毒物的聯(lián)合作用,3獨立作用 各毒物對機體的侵人途徑、作用部位、作用機理等均不相同，因而在其聯(lián)合作用中各毒物生物學(xué)效應(yīng)彼此無關(guān)、互不影響。即M=M1+M2(1-M1)。 即獨立作用的毒性低于相加作用，但高于其中單項毒物的毒性。 4拮抗作用 指聯(lián)合作用的毒性，小于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和。即MM+M2 既某一毒物成分能促進(jìn)機體對其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收減少或產(chǎn)生低毒代謝物等，使混合物毒性降低,確定毒物聯(lián)合作用

19、等效應(yīng)圖,四、毒作用的過程,毒物的吸收、分布、代謝轉(zhuǎn)化及排泄 毒物或活性代謝產(chǎn)物被達(dá)到靶器官中的受體 靶器官：毒物首先在機體中達(dá)到毒作用臨界濃度的器官。 受體：靶器官中相應(yīng)毒物分子的專一性作用部位（蛋白質(zhì)）。 原發(fā)反應(yīng) 毒物或活性代謝產(chǎn)物與其受體進(jìn)行原發(fā)反應(yīng)，使受體改性，隨后引起生物化學(xué)效應(yīng)。 如酶活性受到抑制、細(xì)胞膜破裂、干擾蛋白質(zhì)合成、破壞脂肪和糖的代謝、抑制呼吸等。 繼發(fā)反應(yīng) 機體發(fā)生病理生理的繼發(fā)反應(yīng)，出現(xiàn)致毒癥狀。 如人或動物生病的體溫、脈搏 、呼吸 、血壓變化 ，中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等出現(xiàn)發(fā)病癥狀 植物葉片發(fā)黃、脫落等,五、毒作用的生物化學(xué)機制,1酶活性的抑制 2致突變作用 3致

20、癌作用 4致畸作用,五、毒作用的生物化學(xué)機制,1酶活性的抑制 毒物進(jìn)入機體后，一方面在酶催化下進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化；另一方面也可干擾酶的正常作用，包括酶的活性、數(shù)量等，從而有可能導(dǎo)致機體的損害。 毒物對酶活性的抑制的機制 有機毒物與酶的共價結(jié)合 重金屬與酶巰基的結(jié)合 金屬酶中金屬的取代,有機毒物與酶的共價結(jié)合,乙酰膽堿酶的作用,乙酰膽堿脂神經(jīng)傳遞物質(zhì),重金屬與酶巰基的結(jié)合,Pb2+、Hg2+ 、Cd2+、Ag+等重金屬離子能與含巰基的酶強烈結(jié)合。 若酶巰基在酶的活性中心之外，重金屬離子與含巰基的酶結(jié)合，對酶有非競爭性抑制作用。 若酶巰基在酶的活性中心之內(nèi)，重金屬通過與巰基結(jié)合，對酶有競爭性抑制作用,金

21、屬酶中金屬的取代,某些金屬取代金屬酶中的不同金屬。 金屬酶是金屬離子為輔酶或為輔酶一個成分的酶類。 如Cd()可以取代鋅酶中的Zn()，這是因為二者性質(zhì)和離子半徑都很相近的緣故。 堿性磷酸酶、醇脫氫酶和碳酸酐酶等一些鋅酶被Cd()取代后，活性便受到抑制,2致突變作用,致突變作用 指生物細(xì)胞內(nèi)DNA改變，引起的遺傳特性突變的作用。這一突變可以傳至后代。 致突變物：具有致突變作用的污染物質(zhì)。 致突變作用分類 基因突變?nèi)旧w突變 基因突變 指DNA中堿基對的排列順序發(fā)生改變。它包含堿基對的轉(zhuǎn)換、顛換、插入和缺失四種類型,四種堿基,脫氧核糖與堿基組成DNA的核苷,圖5-30 基因突變的類型 A：腺嘌吟

22、 G：鳥嘌吟 T：胸腺嘧啶 C：胞嘧啶,堿基轉(zhuǎn)換的機制,A：腺嘌吟 G：鳥嘌吟T：胸腺嘧啶 C：胞嘧啶,染色體突變,細(xì)胞內(nèi)染色體是一種復(fù)雜的核蛋白結(jié)構(gòu)，主要成分是DNA。在染色體上排列著很多基因。 若其改變只限于基因范圍，就是上述的基因突變。而若涉及整個染色體，呈現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)或數(shù)目的改變，則稱為染色體畸變。 突變對機體的危害 人和哺乳動物的性細(xì)胞如果發(fā)生突變，可以影響妊娠過程，導(dǎo)致不孕和胚胎早期死亡等； 體細(xì)胞的突變，可能是形成癌腫的基礎(chǔ)。 常見的具有致突變作用的環(huán)境污染物質(zhì) 亞硝胺類、苯并(a)芘、甲醛、苯、 砷、鉛、烷基汞化合物、 甲基對硫磷、敵敵畏、百草枯、 黃曲霉毒素B1 等,3致癌作用,致癌是體細(xì)胞不受控制的生長。能在動物和人體中引起致癌的物質(zhì)稱為致癌物。 致癌物根據(jù)性質(zhì)分類 化學(xué)(性)致癌物、 物理性致癌物(如x射線、放射性核素氡) 生物性致癌物(如某些致癌病毒)。 人類癌癥80 85與化學(xué)致癌物有關(guān)，在化學(xué)致癌物中又以合成化學(xué)物質(zhì)為主,化學(xué)致癌物的分類,按對人和動物致癌作用的程度分類 確證致癌物（砷、 石棉）、 可疑致癌物、 潛在致癌物。 化學(xué)致癌物根據(jù)作用機理分類 遺傳毒性